NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT BỘ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ỔN ĐỊNH CỦA Ô TÔ Nguyễn Thành Công 1 , Đào Mạnh Hùng 1 , Hồ Hữu Hải 2 1 Trường Đại học Giao thông Vận tải, 2Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Trang 1NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT BỘ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ỔN ĐỊNH CỦA Ô TÔ
Nguyễn Thành Công (1) , Đào Mạnh Hùng (1) , Hồ Hữu Hải (2)
(1) Trường Đại học Giao thông Vận tải, (2)Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Tóm tắt: Bài báo đề xuất bộ điều khiển logic mờ điều khiển chuyển động ổn định của
ô tô thông qua việc phân phối lực phanh tại mỗi bánh xe Dựa vào tốc độ góc xoay thân xe thực tế được cung cấp bởi cảm biến bộ điều khiển sẽ so sánh với với giá trị mong muốn Thông qua tín hiệu sai lệch này, bộ chấp hành sẽ thực hiện phanh tại bánh xe điều chỉnh quỹ đạo chuyển động của ô tô gần với mong muốn Hệ thống được mô phỏng khi ô tô thực hiện chuyển làn, tín hiệu điều khiển vành lái dạng hình Sin Đánh giá tác động của bộ điều khiển quá trình mô phỏng được thực hiện khi có và không có tác động của bộ điều khiển với các vận tốc khác nhau
I Đặt vấn đề
Nghiên cứu quỹ đạo chuyển động
của ô tô là vấn đề rất phức tạp Khi ô tô
chuyển động trên đường với tốc độ cao có
thể xảy ra quay vòng không theo quỹ đạo
người điều khiển mong muốn làm mất ổn
định dẫn tới những tai nạn đáng tiếc Các
nghiên cứu gần đây cho thấy điều khiển
mô men xoay thân xe là phương pháp hiệu
quả để cải thiện tính chuyển động ổn định
của ô tô Phương pháp này tập trung vào
điều khiển vận tốc góc xoay thân xe Khi
mất ổn định hệ thống điều khiển sẽ đưa ra
tín hiệu điều chỉnh mô men xoay thân xe
bằng cách phân phối lực phanh hoặc điều
khiển lực kéo để giữ ô tô chuyển động ổn
định
Trong bài này, tác giả đưa ra bộ điều
khiển logic mờ để điều khiển chuyển động
của ô tô thông qua việc phân phối lực
phanh tại mỗi bánh xe Điều khiển mờ sử
dụng các kỹ năng của người điều khiển có
kinh nghiệm hoặc các tri thức chuyên gia,
có thể sử dụng các tiêu chí được mô tả
bằng ngôn ngữ hoặc không định nghĩa
được rõ ràng Vì thế, điều khiển mờ
thường được dùng khi tiến trình điều khiển
không được biết rõ hoặc khó mô tả chính
xác vì quá phức tạp chẳng hạn
II.Trạng thái chuyển động và đề xuất bộ
điều khiển
2.1 Các trạng thái quay vòng
của ô tô
Điều kiện để các bánh xe dẫn
hướng với hệ thống lái 2WS không bị trượt
bên khi xe quay vòng thoả mãn:
L
B
(1)
Khi ô tô quay vòng với vận tốc
xác định từ sơ đồ (hình 1) như sau:
qv
L R
(2) Trong đó: L-chiều dài cơ sở của ô
sau[rad]
có thể coi: tg(βt-αt) ≈ββt-αt; tgαs ≈βαs
Hình 1 Xác định bán kính quay vòng theo
L, β, αt, αs
vòng đúng Bán kính quay vòng không phụ
- Khi ( αt -αs ) < 0 là trạng thái quay vòng thiếu Khi đó bán kính quay vòng tăng, để thực hiện quay vòng theo bán kính
Trang 2Hình 4 Sơ đồ mô phỏng khối điều khiển mờ
R thì người lái phải tăng góc quay vành lái
- Khi ( αt -αs ) > 0 là trạng thái quay
vòng thừa Khi đó bán kính quay vòng
giảm, lực ly tâm gia tăng Để khắc phục
người lái phải giảm góc quay vành lái một
2.2.Cấu trúc bộ điều khiển
Cấu trúc bộ điều khiển được thể
hiện ở hình 2
Từ các tín hiệu đầu vào: tốc độ ô
tô, góc quay vành lái, khối Reference
Model sẽ xác định tốc độ góc quay thân xe
mong muốn Biểu thức xác định tốc độ góc
quay thân xe mong muốn như sau [7]:
f r
v r
L
2C C L
(3)
Trong đó: v – vận tốc của ô tô [m/s];
- góc quay của bánh xe dẫn hướng [rad]; m
cách từ trọng tâm ô tô tới tâm cầu trước,
trước, sau [N/rad]
Từ tốc độ góc xoay thân xe thực tế
được đo bởi cảm biến Bộ điều khiển so
sánh với giá trị mong muốn Qua tín hiệu
sai lệch này xác định giá trị mômen xoay
thân xe Từ đó bộ chấp hành sẽ thực hiện
phanh tại bánh xe để điều chỉnh quỹ đạo
chuyển động của ô tô
Khi xe quay vòng thừa (hình 3-a)
xe được ổn định bằng cách tăng lực bên ở
bánh xe trước phía ngoài tạo ra mô men
ngược chiều với mô men gây ra quay vòng
thừa Lực phanh tác dụng lên bánh xe phía
trước cũng làm giảm tốc độ của xe, vì thế
tính ổn định của xe được đảm bảo
Khi xe quay vòng thiếu (hình 3-b)
xe được ổn định bằng cách tác dụng phanh
ở bánh sau bên trong Vì thế mô men quay vòng sẽ tăng, ô tô chuyển động ổn định
a)Xe quay vòng thừa b)Xe quay vòng thiếu
F B - Lực phanh; F S - Lực bên
Hình 3 Trạng thái chuyển động của ô tô
khi có điều khiển và không điều khiển
2.3.Xây dựng bộ điều khiển mờ
Sơ đồ điều khiển mờ như trên hình 4 Biến vào tương tương ứng của bộ điều khiển như sau:
- dr: Sai lệch vận tốc góc xoay thân
xe, đánh giá sai lệch giữa giá trị thực tế(đo
từ cảm biến) và giá trị mong muốn (xác định từ biểu thức 3)
-ddr: Độ biến thiên sai lệch vận tốc góc xoay thân xe Được xác định từ giá trị sai lệch vận tốc góc xoay thân xe tại thời điểm tính toán với giá trị sai lệch vận tốc xoay thân xe thời điểm trước đó, trong khoảng thời gian trễ 0,005 (s)
ngôn ngữ (hình 5a): “Âm”, ký hiệu N (Negative),“Không“, ký hiệu Z (Zero),
“Dương“, ký hiệu P (Positive)
Biến ra được định nghĩa là mô men xoay thân xe (ký hiệu Mz) Được định nghĩa bằng 5 giá trị ngôn ngữ (hình 5b):“Âm lớn”, ký hiệu NL (Negative Large),“Âm nhỏ”, ký hiệu NS (Negative
Vx
delta
r_m
Referencemodel
MTT
MTP
MST
MSP
delta exi_d
Mo hinh o to
Bo dieu khien mo
Mz
MTT
MTP
MST
MSP
Bo chap hanh
2
delta
1
Vx
ddr
1 Mz z
1 Unit Delay
Saturation1 Saturation
-K-K3
-K-K2
-K-K1
Fuzzy Logic Controller Add
1 dr
Trang 3Small), “Không”, ký hiệu Z (Zero),“Dương
nhỏ”, ký hiệu PS (Positive Small),“Dương
lớn”, ký hiệu PL (Positive Large)
a)Sai lệch, độ biến thiên sai lệch vận tốc góc xoay
thân xe
b) Mô men xoay thân xe
Hình 5 Các hàm quan hệ giá trị ngôn ngữ
biến vào/ra bộ điều khiển mờ
Xây dựng tập luật điều khiển
Tập luật điều khiển mờ được xây
dựng trên cơ sở nguyên lý điều khiển của
mô hình kết hợp với tri thức các chuyên
gia, theo tiêu chí nâng cao chuyển động ổn
định của ô tô, gồm 9 luật thể hiện trong
bảng 1
Bảng 1 Tập luật điều khiển của bộ điều
khiển mờ
III Kết quả mô phỏng
Khi ô tô chuyển làn với vận tốc
chuyển động 20 m/s Điều khiển vành lái
(hình 6)
Mô hình mô phỏng quỹ đạo chuyển
động ô tô xây dựng trên phần mềm
Matlab-Simulink [3] Các thông số kỹ
thuật của ô tô được cho trong bảng 2 Bộ
điều khiển logic mờ được tổng hợp bằng
công cụ fuzzy logic toolbox của Matlab
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
Thoi gian (s)
150
Hình 6 Tín hiệu góc quay vành lái
Bảng 2 Thông số kỹ thuật của ô tô khảo
sát
2
Mô men quán tính của khối
2
3
Khoảng cách từ trọng tâm khối lượng được treo đến tâm cầu trước
4
Khoảng cách từ trọng tâm khối lượng được treo đến tâm cầu sau
5 Độ cứng bên củalốp trước, sau Cf ,
C r
Kết quả mô phỏng thể hiện trên hình 7, đánh giá tác động của bộ điều khiển, khi có và không có tác động của bộ đều khiển
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8
Thoi gian (s)
Co dieu khien Mong muon Khong dieu khien
a Vận tốc góc xoay thân xe
-0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
Thoi gian (s)
Co dieu khien Mong muon Khong dieu khien
b Góc xoay thân xe
Trang 40 10 20 30 40 50 60 70 80
-1
0
1
2
3
4
5
6
X (m)
Co dieu khien
Khong dieu khien
c Quỹ đạo chuyển động
Hình 7 Kết quả mô phỏng chuyển động
Kết quả cho thấy khi ô tô chuyển
làn: trường hợp không có điều khiển ô tô
mất ổn định chuyển động do sai lệch vận
tốc góc xoay thân xe (hình 7a), mức mất
ổn định thể hiện qua sai lệch góc xoay thân
xe (hình 7b) Khi có điều khiển vận tốc góc
xoay thân xe được duy trì gần giá trị mong
muốn nên tăng mức ổn định chuyển động
của ô tô
Kết thúc chuyển làn góc xoay thân
hồi của lốp trong quá trình trả lái nên có sự
sai lệch góc xoay thân xe, do đó quỹ đạo
chuyển động của ô tô (hình 7c) lệch với
hướng chuyển động thẳng Bộ điều khiển
duy trì giá trị vận tốc xoay thân xe gần với
giá trị mong muốn nhằm duy trì hướng
chuyển động thẳng của ô tô
Kết quả mô phỏng cho thấy rằng
quỹ đạo chuyển động phù hợp với tín hiệu
điều khiển góc quay vành lái, khi có điều
khiển quỹ đạo chuyển động của ô tô gần
với quỹ đạo mong muốn hơn khi không có
điều khiển
IV.Kết luận:
Tác giả đã đưa ra bộ điều khiển mờ
để điều khiển chuyển động ổn định của ô
tô dựa vào việc phân phối lực phanh tại mỗi bánh xe Từ kết quả mô phỏng thấy rằng khi có điều khiển ô tô chuyển động ổn định hơn so với trường hợp không có điều khiển Kết quả của nghiên cứu có thể làm
cơ sở để chế tạo bộ điều khiển chuyển động ổ định của ô tô
Tài liệu tham khảo:
[1] Nguyễn Khắc Trai – Tính điều khiển và
quĩ đạo chuyển động của ô tô - Nhà xuất
bản Giao thông vận tải, Hà Nội, 1997 [2] B.Bouchon-Meunier-Hồ Thuần-Đặng
Thanh Hà – Logic mờ và ứng dụng – Nhà
xuất bản Đại học Quốc gia Hà nội, 2007
[3] Nguyễn Thành Công- Nghiên cứu ứng
dụng logic mờ trong điều khiển chuyển động ổn định của ô tô, Luận văn thạc sĩ
khoa học, Đại học Bách khoa Hà Nội,
2009 [4] Jong Hyeon Park and Woo Sung Ahn
-H-infinite Yaw-Moment Control with Brakes for Improving Driving Performance and Stability – Proceedings
of the 1999 IEEE/ASME International Conference on Advanced Advanced Mechatronics, September 1999, Atlanta, USA
[5] Rajesh Rajamani – Vehicle Dynamics
and control - Springer Science+Business,
Inc., 233 Spring Street, New York, NY
10013, USA [6] Sang-Jin Ko, Jeong-Jung Kim and
Ju-Jang Lee - Yaw stabilization of a vehicle
by yaw stability controller based on Fuzzy
Advanced Intelligent System (ISIS2007), September 2007, Sokcho-City, Korea
